DE19757560A1 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porö­ sen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Desweiteren betrifft die Erfin­ dung ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 5.

Dieses Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses, sowie das Verfahren zur Beeinflussung der Ätzrate wird im folgenden ohne Einschränkung der Erfindung anhand von porösem Silicium geschildert.

Als Stand der Technik ist bekannt, poröses Silicium (PS) durch elektrochemisches Ätzen von Siliciumwafern herzustellen, bei­ spielsweise zur Verwendung in der Produktion von Computerchips. Auf diese Weise gebildete Schichten haben eine schwammähnliche Struktur und weisen eine Vielzahl von interessanten Eigenschaf­ ten auf.

Ein Anwendungsgebiet für PS ist der Einsatz in optischen Bauele­ menten. Es ist als Stand der Technik beispielsweise aus DE 43 19 413.3-33 oder Thin solid films 276 (1996), 143-146 bekannt, unter Verwendung von Schichtsystemen aus PS Wellenleiter, Trans­ missionsfilter, Reflektore oder Antireflexionsbeschichtungen herzustellen. Die optischen Eigenschaften der Schichtsysteme können durch die Abfolge von Einzelschichten mit verschiedener optischer Dicke gezielt verändert werden.

Die optische Dicke dieser Einzelschichten wird bei vorgegebener Dotierung durch ihre Porosität und Dicke beeinflußt. Die Porösi­ tät und Dicke wird bei vorgegebener Dotierung durch die Strom­ dichte bzw. durch die Dauer des elektrochemischen Ätzens gesteu­ ert. Lediglich mit Hilfe der Dauer des Ätzens ist es - bei vor­ gegebenem Substrat und vorgegebener Stromdichte - möglich, die gewünschte Schichtdicke einzustellen.

Um PS integriert mit anderen Bauelementen einsetzen zu können, muß zur Bildung einer solchen Struktur die Fläche, die geätzt werden soll, definiert werden. Die bekannte Strukturierung des Substrates vor der Herstellung der porösen Schicht mit einer Ätzmaske führt zu einer Krümmung des Interface PS/Substrat bei der Herstellung (Fig. 1). Bei Experimenten wurden Streifen ei­ ner Länge von 1 cm und einer Breite untersucht, die jeweils ih­ rem Abstand von dem nächsten Streifen entsprach. Wie die Fig. 1 erkennen läßt, existieren zwei Krümmungen. Eine Krümmung inner­ halb eines Streifens und eine Krümmung über alle Streifen hin­ weg. Diese Krümmungen bewirken nachteilig eine Inhomogenität der Schichten.

Ist eine Einzelstruktur 100 µm oder kleiner, so ist das Interface PS/Substrat gerade (Fig. 2). Dies wird dadurch verursacht, daß der Prozeß, der zur Interfacekrümmung führt, diese kleinen Strukturen nicht mehr auflöst. Für Anwendung von PS, die unter­ halb dieser Größenskala liegen, entfällt das Problem einer Inho­ mogenität von Filtern und Reflektoren aufgrund der Interface­ krümmung.

In Fig. 2 ist erkennbar, daß eine Strukturierung mit Photolack zu einem starken Unterätzen der Ätzmaske führt. Dieses kann durch ein anderes Ätzmaskenmaterial z. B. durch Siliciumnitrid (Si₃N₄) verhindert werden [M. Krüger et al., Thin solid films 276 (1996) 257-260]. Mit Hilfe dieser Maskentechnik ist es möglich eine Struktur aus PS herzustellen, die sowohl über ein gerades Interface PS/Substrat verfügen als auch über senkrechte Ätz­ flanken. Mit diesen Voraussetzungen ist eine Herstellung von Schichtsystemen aus porösem Silicium möglich, deren Eigenschaf­ ten im Voraus bestimmt werden können.

Zur Herstellung mehrerer poröser Bereiche auf dem selben Wafer kann dies bisher gleichzeitig nur dann geschehen, wenn diese auch die gleichen Eigenschaften haben sollen. Sollen hingegen die Pixel unterschiedliche Eigenschaften haben, z. B. für ein Filterarray aus porösen Schichtsystemen, so können diese nicht gleichzeitig geätzt werden. Dies führt nachteilig dazu, daß schon hergestellte poröse Schichten abgedeckt werden müssen, um sie beim Ätzen der neuen Pixel in ihren Eigenschaften zu erhal­ ten. Dieser Weg ist sehr schwierig und aufwendig zu realisieren und bis jetzt noch nicht möglich, da diese Abdeckung ohne Ein­ fluß auf die porösen Schichten rückstandsfrei entfernt werden müßte.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstel­ lung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzprozesses bereit zustellen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein optisches Bauelement gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 5. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen oder Varianten finden sich in den auf jeweils einen dieser Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen.

Im Rahmen der Erfindung wird in an sich bekannter Weise die Ät­ zung zur Porösidierung des Materials durchgeführt. Es wurde er­ kannt dabei eine Ätzmaske geeigneter Geometrie mit auf die ge­ wünschte Tiefenätzung abgestimmte Verhalten zu bilden und im er­ findungsgemäßen Verfahren einzusetzen.

Es wurde im Rahmen der Erfindung zudem erkannt, daß das gleich­ zeitige Herstellen von Pixeln innerhalb einer porösidierbaren Struktur mit unterschiedlichen Eigenschaften in einem Arbeits­ gang möglich ist, wenn die Ätzrate jedes Pixels nicht nur durch die von außen angelegte Stromdichte vorgegeben ist, sondern auch noch durch die unterschiedliche Umgebung des Pixels mitbestimmt wird. Die Umgebung der Pixel kann durch die Ätzmaske so gestal­ tet werden, daß die Pixel unterschiedliche Stromdichten und so­ mit unterschiedliche Ätzraten haben. Auf diese Weise können die gewünschten unterschiedlichen Eigenschaften erzielt werden.

Auf diese Weise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, meh­ rere, insbesondere viele Arbeitsschritte durch einen einzigen Schritt geeigneter Ausbildung zu ersetzen. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist darin gelegen, daß auch eine kontinuierli­ che Veränderung der Eigenschaften einer porösen Schicht möglich ist. Dieses Verfahren kann für alle elektrochemischen Ätzverfah­ ren verwendet werden.

Gemäß Patentanspruch 1 beinhaltet das Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe eines elektrochemischen Ätzpro­ zesses den Einsatz einer den erwünschten Verlauf der Tiefenätz­ rate entsprechenden Ätzmaske.

Gemäß Patentanspruch 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor­ teilhaft ausgebildet, indem zur Bildung eines kontinuierlichen Verlaufs der Tiefenätzrate eine keilförmige Ätzmaske gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 3 wird das erfindungsgemäße Verfahren da­ durch vorteilhaft ausgebildet, daß zur Bildung eines diskreten Verlaufs der Tiefenätzrate eine eine oder mehrere, keilförmige stufenförmige Strukturen aufweisende Ätzmaske gewählt wird.

Gemäß Patentanspruch 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren vor­ teilhaft dadurch ausgeführt, daß als Ausgangsmaterial zur porö­ sen Schichtbildung Silicium, Germanium oder Aluminium gewählt wird. Diese Materialien sind in ihrem Verhalten hinsichtlich Ät­ zung vergleichsweise gut bekannt.

Optische Bauelemente mit der erfindungsgemäßen Schicht sind ge­ mäß Patentanspruch 5 beansprucht.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausfüh­ rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Tiefe geätzter poröser, als Stand der Technik bekannter Streifen, gemessen mit einem Surfaceprofiler nach Ent­ fernung des porösen Siliciums durch Natronlauge (NaOH);

Fig. 2 Tiefe der porösen Streifen gemäß Fig. 1, gemessen nach dem Entfernen der porösen Schicht mittels Natronlauge;

Fig. 3 erfindungsgemäße Ätzmaske für eine kontinuierliche Ände­ rung der Ätzrate;

Fig. 4 erfindungsgemäße Oberflächenprofilmessung, gemessen nach dem Abätzen des porösen Bereiches.

Ausführungsbeispiel

In der Fig. 1 ist die Tiefe der erfindungsgemäß geätzten porö­ sen Streifen, gemessen mit einem Surfaceprofiler nach Entfernung des porösen Siliciums durch Natronlauge (NaOH) dargestellt. Die Streifenbreite der hier gezeigten Strukturen betrug 1000, 500 bzw. 250 µm.

In der Fig. 2 ist die gemessene Tiefe der erfindungsgemäß porö­ sen Streifen nach dem Entfernen der porösen Schicht mittels Na­ tronlauge gezeigt. Es läßt sich erkennen, daß im Falle einer Streifenbreite von 100 µm das Interface eines einzelnen Streifens nicht mehr gekrümmt, sondern gerade ausgebildet ist. Zu erkennen ist auch das Unterätzen unter die Maske, welche nur 100 µm breit war.

In der Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Ätzmaske zur Erzielung einer kontinuierlichen Änderung der Ätzrate dargestellt. Diese Maske wird auf die zu ätzende Oberflache positioniert. Dabei werden die Oberflächenbereich unterhalb der dunklen Bereiche der erfindungsgemäßen Ätzmaske abgedeckt, die hellen Bereiche der Oberfläche werden geätzt. Auf diese Weise wird erreicht, daß im Streifen zwischen den beiden Keilstrukturen die Ätzrate kontinu­ ierlich einstellbar oder veränderbar ist. Entlang der einge­ zeichneten Linie ABCD, wurde das Tiefenprofil auf diese Weise hergestellter erfindungsgemäßer poröser Schichten gemessen.

In der Fig. 4 ist diese Oberflächenprofilmessung, gemessen nach dem Abätzen des erfindungsgemäßen porösen Bereiches im Ergebnis dargestellt. Zu erkennen ist das Interface zwischen porösem Si­ licium und dem kristallinen Silicium. Der Bereich, in dem die Ätzrate mittels der lateralen Strukturierung kontinuierlich ver­ änderlich ausgebildet wurde, ist zwischen den Punkten B und C gegeben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Möglichkeit gegeben, sowohl diskrete als auch kontinuierliche Veränderungen der Ätz­ rate zu erreichen. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine kontinu­ ierliche Änderung der Ätzrate mit Hilfe der aus in Fig. 3 dar­ gestellten Ätzmaske. Der Bereich, in dieser Effekt auftritt, be­ findet sich zwischen den beiden Keilstrukturen und damit zwi­ schen den Punkten B und C. In diesem Bereich verändern die bei­ den keilförmigen Bereiche, die nicht geätzt werden, kontinuier­ lich die Ätzrate, wie aus Fig. 4 ersichtlich.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht mit Hilfe ei­ nes elektrochemischen Ätzprozesses, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine den erwünschten Verlauf der Tiefenätz­ rate entsprechende Ätzmaske eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines kontinuierlichen Verlaufs der Tie­ fenätzrate wenigstens eine keilförmige Ätzmaske gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines diskreten Verlaufs der Tiefenätzrate eine eine oder mehrere, keilförmige stufenförmige Strukturen aufweisende Ätzmaske gewählt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial zur porösen Schichtbildung Silicium, Germanium oder Aluminium gewählt wird.

5. Optisches Bauelement mit einer oder mehrerer nach einem der Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellter po­ rösen Schichten.